聞德生，商旭東，顧 攀，潘為圓，石滋洲，鄭 偉

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雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)泄漏與容積效率分析及密封改進(jìn)

聞德生，商旭東，顧 攀，潘為圓，石滋洲，鄭 偉

（燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，秦皇島 066004）

為了詳細(xì)分析雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)的泄漏和容積效率，獲得合理的間隙密封尺寸和密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，基于雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析，歸納出內(nèi)、外馬達(dá)的幾何排量計(jì)算式，分析出該馬達(dá)的主要泄漏途徑。通過(guò)建立各泄漏途徑的流量數(shù)學(xué)式，得到馬達(dá)在不同連接形式下總泄漏量的一般公式。對(duì)不同連接形式下馬達(dá)的容積效率進(jìn)行了理論計(jì)算，針對(duì)馬達(dá)的端面泄漏提出了密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，同時(shí)搭建試驗(yàn)臺(tái)對(duì)改進(jìn)前后的雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)樣機(jī)進(jìn)行了容積效率測(cè)試。結(jié)果表明，隨著馬達(dá)進(jìn)出口壓差從1 MPa逐漸升高到10 MPa，馬達(dá)的容積效率隨之降低；且在不同的連接方式下，馬達(dá)的容積效率也不相同，當(dāng)進(jìn)出油口壓差一定時(shí)，外馬達(dá)單獨(dú)工作容積效率最高，內(nèi)、外馬達(dá)差動(dòng)工作容積效率最低。如當(dāng)馬達(dá)行程時(shí)間為3 s，進(jìn)出油口壓差為4 MPa時(shí)，馬達(dá)容積效率最大值約為92%，最小值約為86%。并且對(duì)該馬達(dá)端面密封的改進(jìn)可使其容積效率在一定程度上有所提高。該研究為雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供 參考。

液壓馬達(dá)；定子；轉(zhuǎn)子；泄漏；幾何排量；容積效率

0 引 言

隨著科技的不斷發(fā)展，液壓傳動(dòng)以其傳動(dòng)平穩(wěn)、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航天、船舶、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等行業(yè)中[1]。擺動(dòng)液壓馬達(dá)最突出的優(yōu)點(diǎn)是能使負(fù)載直接獲得往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，無(wú)需任何變速機(jī)構(gòu)，因此已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[2]。但擺動(dòng)液壓馬達(dá)的泄漏是限制其應(yīng)用的主要因素之一，擺動(dòng)液壓馬達(dá)的泄漏不僅會(huì)使系統(tǒng)的容積效率降低，且其內(nèi)泄漏的變化會(huì)使負(fù)載速度下降及產(chǎn)生不需要的負(fù)載加速度，甚至?xí)蛊洚a(chǎn)生爬行[3]。

目前國(guó)內(nèi)外在該方面的研究主要集中在對(duì)傳統(tǒng)擺動(dòng)液壓馬達(dá)（一個(gè)轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)一個(gè)定子）的改善。傳統(tǒng)的擺動(dòng)液壓馬達(dá)只能實(shí)現(xiàn)一種轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速輸出，在當(dāng)前的液壓傳動(dòng)中存在一定的不足[4-5]。如德國(guó)S·貝茨等[6]為擺動(dòng)液壓馬達(dá)設(shè)計(jì)出一種新型密封組合，不僅減小了擺動(dòng)液壓馬達(dá)的泄漏，提高了其容積效率，并且使其能適應(yīng)較高的工作溫度，Nikas等[7]人通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究，對(duì)擺動(dòng)液壓馬達(dá)密封方式進(jìn)行了一系列研究，以提高其容積效率。近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)擺動(dòng)液壓馬達(dá)也做了大量研究，如王增等[8]提出了擺動(dòng)液壓馬達(dá)非線性泄漏計(jì)算模型，得出影響泄漏量的主要因素以及可采取的相關(guān)措施，金忠等[9]針對(duì)造成七功能水下作業(yè)機(jī)械手使用的擺動(dòng)液壓馬達(dá)泄漏的組合密封進(jìn)行了分析計(jì)算，最終使其能夠滿足驅(qū)動(dòng)水下作業(yè)機(jī)械手的要求，周海強(qiáng)等[10]研發(fā)的BM-200型單葉片擺動(dòng)液壓馬達(dá)，將葉片及其接觸的密封件都設(shè)計(jì)成圓弧狀，該設(shè)計(jì)很大程度上提高了密封效果，降低了其泄漏量，崔曉等[11-12]提出了一種基于有限元的油膜控制方程數(shù)值解法，定量研究了擺動(dòng)液壓馬達(dá)的內(nèi)泄漏問(wèn)題。以上都是對(duì)傳統(tǒng)擺動(dòng)液壓馬達(dá)泄漏和密封等方面的研究，并未涉及到雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)的泄漏和容積效率的問(wèn)題。

雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)是將傳統(tǒng)擺動(dòng)液壓馬達(dá)與雙定子理論[13-22]相結(jié)合而提出的一種新型擺動(dòng)液壓馬達(dá)，其結(jié)構(gòu)形式和泄漏分析等與其它雙定子液壓馬達(dá)[23]也有所不同。本文對(duì)該新型擺動(dòng)液壓馬達(dá)的泄漏和容積效率進(jìn)行了理論分析與計(jì)算，以期為雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)的設(shè)計(jì)、制造和使用提供參考。

1 馬達(dá)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)

圖1為雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)示意圖，該馬達(dá)含有一個(gè)轉(zhuǎn)子3，兩個(gè)定子（內(nèi)定子2和外定子4），在一個(gè)殼體內(nèi)形成了兩組擺動(dòng)馬達(dá)：內(nèi)擺動(dòng)馬達(dá)由轉(zhuǎn)子3、內(nèi)定子2、和內(nèi)馬達(dá)配流孔8等組成；外擺動(dòng)馬達(dá)由轉(zhuǎn)子3、外定子4、和外馬達(dá)配流孔7等組成。該新型擺動(dòng)液壓馬達(dá)為整體式結(jié)構(gòu)，即動(dòng)葉片和轉(zhuǎn)子作為一體，定葉片和定子作為一體。

1.2 雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)的工作原理

圖2為雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)的原理簡(jiǎn)圖。圖中外馬達(dá)形成的4個(gè)封閉容腔分別設(shè)為A、B、C、D；內(nèi)馬達(dá)形成的4個(gè)封閉容腔分別設(shè)為a、b、c、d。對(duì)于外馬達(dá)：當(dāng)B、D兩腔通入高壓油時(shí)，馬達(dá)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于內(nèi)馬達(dá)：當(dāng)a、c兩腔通入高壓油時(shí)，馬達(dá)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)控制馬達(dá)的進(jìn)出油口，內(nèi)、外馬達(dá)可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)工作、同時(shí)工作和差動(dòng)工作。

當(dāng)擺動(dòng)馬達(dá)的B、D、b、d同時(shí)通入高壓油，內(nèi)、外馬達(dá)的高壓油作用在轉(zhuǎn)子上的力矩方向相反。由于外馬達(dá)產(chǎn)生的力矩大于內(nèi)馬達(dá)產(chǎn)生的力矩，轉(zhuǎn)子將沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了擺動(dòng)馬達(dá)的差動(dòng)工作。擺動(dòng)馬達(dá)的差動(dòng)連接原理與差動(dòng)缸原理類似[24]。

2 馬達(dá)的理論流量分析

擺動(dòng)液壓馬達(dá)的幾何排量指的是無(wú)泄漏情況下馬達(dá)輸出軸擺動(dòng)單位弧度，由其密封容腔幾何尺寸而得出流入的液體體積[25]。本文討論的排量均為擺動(dòng)馬達(dá)的幾何排量。以圖2中雙作用雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)為例，設(shè)其外擺動(dòng)馬達(dá)的排量為m1(mL/rad)，計(jì)算公式為

內(nèi)擺動(dòng)馬達(dá)的排量m2的計(jì)算公式為

（2）

式中為葉片厚度，mm；1為外馬達(dá)動(dòng)葉片根圓半徑，mm；2為外馬達(dá)定葉片根圓半徑，mm；1為內(nèi)馬達(dá)定葉片根圓半徑，mm；2為內(nèi)馬達(dá)動(dòng)葉片根圓半徑，mm。

雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)的總排量與馬達(dá)的連接形式有關(guān)。則雙作用雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)在不同連接形式下的總排量m為

式中為參與工作的外馬達(dá)數(shù)量；為參與工作的內(nèi)馬達(dá)數(shù)量；±與馬達(dá)擺動(dòng)方向有關(guān)，內(nèi)、外馬達(dá)的擺動(dòng)方向相同取正，反之取負(fù)。

（5）

3 馬達(dá)的泄漏分析

擺動(dòng)液壓馬達(dá)在工作中，其幾何尺寸、壓力分布和運(yùn)動(dòng)特性等條件是不斷變化的[26]。為計(jì)算雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)的理論泄漏量，現(xiàn)作出幾點(diǎn)假設(shè)：1）流動(dòng)過(guò)程中的油液是穩(wěn)定且不可壓縮的層流；2）油液在流動(dòng)過(guò)程中物理特性保持不變，且無(wú)熱傳遞；3）不考慮馬達(dá)中各運(yùn)動(dòng)部件的磨損對(duì)泄漏產(chǎn)生的影響。圖3標(biāo)出了雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)的全部泄漏途徑及泄漏面。

雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)的泄漏途徑主要有端面間隙泄漏和徑向間隙泄漏2部分。由于該新型馬達(dá)的外馬達(dá)與內(nèi)馬達(dá)存在相似結(jié)構(gòu)，下面僅以外馬達(dá)為例計(jì)算各間隙泄漏量。

3.1 端面間隙泄漏

a. 主視圖 b. 左視圖

a. Front view b. Left view

注：外1（內(nèi)1）為外（內(nèi)）馬達(dá)定葉片和兩端蓋的間隙泄漏，mL·min-1；外2（內(nèi)2）為外（內(nèi)）馬達(dá)動(dòng)葉片和兩端蓋的間隙泄漏，mL·min-1；外3（內(nèi)3）為外（內(nèi)）馬達(dá)右端蓋與轉(zhuǎn)子右端面間隙向泄油槽的泄漏，mL·min-1；外4（內(nèi)4）為外（內(nèi)）馬達(dá)左端蓋與轉(zhuǎn)子左端面間隙向軸承腔（凹槽）的泄漏，mL·min-1；外5（內(nèi)5）為外（內(nèi)）馬達(dá)高壓腔通過(guò)定葉片與轉(zhuǎn)子圓柱面的密封間隙向低壓腔的泄漏，mL·min-1；外6（內(nèi)6）為外（內(nèi)）馬達(dá)高壓腔通過(guò)動(dòng)葉片的頂面密封間隙向低壓腔的泄漏，mL·min-1；1為內(nèi)馬達(dá)定葉片根圓半徑，mm；2為內(nèi)馬達(dá)動(dòng)葉片根圓半徑，mm；1為外馬達(dá)動(dòng)葉片根圓半徑，mm；2為外馬達(dá)定葉片根圓半徑，mm；x1為泄油槽內(nèi)圓半徑，mm；x2為泄油槽外圓半徑，mm。

Note:外1(內(nèi)1) is the gap leakage of outer (inner) motor between fixed blade and two end covers, mL·min-1;外2(內(nèi)2) is the gap leakage of outer (inner) motor between moved blade and two end covers, mL·min-1;外3(內(nèi)3) is the gap leakage of outer (inner) motor between right end cover and right end face of the rotor to leakage oil groove, mL·min-1;外4(內(nèi)4) is the gap leakage of outer (inner) motor between left end cover and left end face to bearing cavity (groove), mL·min-1;外5(內(nèi)5) is the gap leakage of outer (inner) motor from high pressure chamber to low pressure chamber through the sealing gap between fixed blade and rotor cylinder, mL·min-1;外6(內(nèi)6) is the leakage of outer (inner) motor from high pressure chamber to low pressure chamber through the top sealing gap of moved blade, mL·min-1;1is the fixed blade root circle radius of inner motor, mm;2is the moved blade root circle radius of inner motor, mm;1is the moved blade root circle radius of outer motor, mm;2is the fixed blade root circle radius of outer motor, mm;x1is the inner circle radius of leakage oil groove, mm;x2is the outer circle radius of leakage oil groove, mm.

圖3 雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)的泄漏面

Fig.3 Leakage surface of double-stator swing hydraulic motor

3.1.1 端面內(nèi)泄漏計(jì)算

式中1為外馬達(dá)葉片高度，mm；1為外馬達(dá)端面間隙，mm；Δ1為高壓腔與低壓腔液體的壓差，MPa；為油液動(dòng)力黏度，Pa·s；1為外馬達(dá)定葉片平均寬度，mm。

馬達(dá)動(dòng)葉片在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，高壓油會(huì)通過(guò)動(dòng)葉片與端蓋之間的間隙從高壓腔流向低壓腔。可采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)方法將動(dòng)葉片設(shè)為固定參考系，那么端蓋就以與動(dòng)葉片同樣的速度向相反方向運(yùn)動(dòng)。則在該泄漏面內(nèi)由端蓋拖動(dòng)形成的剪切流與壓差流方向相反，那么動(dòng)葉片與兩端蓋的間隙泄漏的計(jì)算公式為

式中2為外馬達(dá)動(dòng)葉片平均寬度，mm；1為外馬達(dá)動(dòng)葉片平均線速度，mm/s。

3.1.2 端面外泄漏計(jì)算

式中Δ2為高壓腔與泄油槽內(nèi)液體的壓差，MPa；為外馬達(dá)高壓腔包角，rad；x2為泄油槽外圓半徑，mm。

同理可得

式中d1為滑動(dòng)軸承內(nèi)圓半徑，mm。

3.2 徑向間隙泄漏

根據(jù)兩平行平板間隙流動(dòng)理論，則有

式中2為外馬達(dá)定葉片頂圓與轉(zhuǎn)子外圓的徑向間隙，mm；2為外馬達(dá)動(dòng)葉片根圓線速度，mm/s；3為外馬達(dá)定葉片頂圓弧長(zhǎng)，mm。

同理可得

式中3為外馬達(dá)動(dòng)葉片頂圓與外定子內(nèi)圓的徑向間隙，mm；3為外馬達(dá)動(dòng)葉片頂圓線速度，mm/s；4為外馬達(dá)動(dòng)葉片頂圓弧長(zhǎng)，mm。

3.3 擺動(dòng)馬達(dá)的總泄漏

由于雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)子將內(nèi)、外兩組馬達(dá)隔開，且轉(zhuǎn)子端面開有泄油槽，則內(nèi)、外馬達(dá)的泄漏互不干擾，一個(gè)外馬達(dá)的總泄漏量為；一個(gè)內(nèi)馬達(dá)的總泄漏量為。

由于雙作用雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)的特殊結(jié)構(gòu)，使該馬達(dá)有8種普通連接形式和4種差動(dòng)連接形式。則該馬達(dá)在不同的連接形式下的總泄漏量為

當(dāng)該馬達(dá)差動(dòng)連接工作時(shí)，內(nèi)擺動(dòng)馬達(dá)中動(dòng)葉片與兩端蓋的間隙泄漏量和間隙泄漏中的2部分泄漏量和的計(jì)算公式都將發(fā)生改變，他們都將分別等于各自剪切流和壓差流之和。例如當(dāng)馬達(dá)差動(dòng)連接時(shí)，在的泄漏面內(nèi)，由端蓋的拖動(dòng)形成的剪切流與內(nèi)馬達(dá)壓差流方向相同。則泄漏量的計(jì)算公式為

（16）

式中2為內(nèi)馬達(dá)葉片高度，mm；1為內(nèi)馬達(dá)端面間隙，mm；2為內(nèi)馬達(dá)動(dòng)葉片平均寬度，mm；為內(nèi)馬達(dá)動(dòng)葉片平均線速度，mm/s。

當(dāng)擺動(dòng)馬達(dá)連續(xù)往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，馬達(dá)瞬時(shí)泄漏量隨高壓腔包角的變化而變化。但在馬達(dá)的各個(gè)泄漏面中，只有內(nèi)、外馬達(dá)端面外泄漏中的2部分泄漏量會(huì)發(fā)生變化，其余泄漏量均不變。則以外擺動(dòng)馬達(dá)為例進(jìn)行計(jì)算說(shuō)明。

在一個(gè)行程時(shí)間內(nèi)，外擺動(dòng)馬達(dá)右端蓋與轉(zhuǎn)子右端面間隙向泄油槽的平均泄漏量為

式中，φ為高壓腔最大包角，rad；同理，在一個(gè)行程時(shí)間內(nèi)，外擺動(dòng)馬達(dá)左端蓋與轉(zhuǎn)子端面間隙向軸承腔的平均泄漏量為

（18）

由式（7）~（14）可知擺動(dòng)馬達(dá)各泄漏面的泄漏量均與馬達(dá)進(jìn)出油口壓差有關(guān)，則馬達(dá)的總泄漏量隨馬達(dá)進(jìn)出油口壓差的增大而增大，反之減小。且由式（8）、（12）和（13）可知擺動(dòng)馬達(dá)動(dòng)葉片與兩端蓋的間隙泄漏和徑向間隙泄漏的2部分泄漏量、均隨馬達(dá)轉(zhuǎn)速的升高而降低，則擺動(dòng)馬達(dá)的總泄漏量與馬達(dá)轉(zhuǎn)速相關(guān)，隨轉(zhuǎn)速的升高而降低。

表1為雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)樣機(jī)主要參數(shù)。

表1 雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)樣機(jī)的主要參數(shù)

該雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)正常工作時(shí)的進(jìn)出油口壓差范圍為0.5～12 MPa，則假定油液的動(dòng)力黏度，擺動(dòng)馬達(dá)進(jìn)出油口壓差為10 MPa，內(nèi)、外馬達(dá)的端面間隙和徑向間隙均為0.01 mm，一個(gè)行程時(shí)間為3 s。因擺動(dòng)馬達(dá)的瞬時(shí)泄漏量是不斷變化的，當(dāng)擺動(dòng)馬達(dá)的高壓腔包角時(shí)，即擺動(dòng)馬達(dá)的動(dòng)葉片處于極限位置時(shí)，其理論泄漏量最大。則擺動(dòng)馬達(dá)理論最大泄漏量和連續(xù)往復(fù)擺動(dòng)時(shí)的平均泄漏量如表2所示。

表2 雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)的理論泄漏量

注：馬達(dá)進(jìn)出口壓差為10 MPa。下同

Note: Pressure difference of the motor between import and export is 10 MPa. The same below.

從表2可以得出，則內(nèi)、外擺動(dòng)馬達(dá)的端面泄漏為其主要泄漏途徑。

4 擺動(dòng)馬達(dá)的容積效率

擺動(dòng)馬達(dá)的實(shí)際輸入流量=t+x，而擺動(dòng)馬達(dá)的容積效率為擺動(dòng)馬達(dá)理論流量t和實(shí)際輸入流量之比[29]，可表示為

當(dāng)擺動(dòng)馬達(dá)進(jìn)出油口壓差為10 MPa，一個(gè)行程時(shí)間為3 s時(shí)，一個(gè)外馬達(dá)的理論流量=0.6597 L/min，一個(gè)內(nèi)馬達(dá)的理論流量=0.258 L/min，則擺動(dòng)馬達(dá)動(dòng)葉片處于極限位置時(shí)和連續(xù)往復(fù)擺動(dòng)工作狀況下的容積效率值如表3所示。由表3可以得出當(dāng)擺動(dòng)馬達(dá)動(dòng)葉片處于極限位置時(shí)容積效率最低。

表3 雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)在不同工況下的容積效率

雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)在不同連接形式下工作時(shí)的總泄漏量不同，則容積效率亦不相同。當(dāng)擺動(dòng)馬達(dá)進(jìn)出口壓差為10 MPa，一個(gè)行程時(shí)間為3 s時(shí)，該馬達(dá)在不同連接形式下連續(xù)往復(fù)擺動(dòng)時(shí)的理論泄漏量、理論流量和容積效率值如表4所示。由表4可知，雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)在差動(dòng)連接形式下的容積效率普遍低于普通連接形式下的容積效率，且該馬達(dá)在1個(gè)外馬達(dá)和2個(gè)內(nèi)馬達(dá)差動(dòng)連接形式下的容積效率最低。

表4 雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)不同連接形式下工作時(shí)的理論容積效率

上述擺動(dòng)液壓馬達(dá)的容積效率分析是在馬達(dá)進(jìn)出油口壓差和轉(zhuǎn)速一定時(shí)進(jìn)行的，而由馬達(dá)的泄漏分析可知，則當(dāng)馬達(dá)進(jìn)出油口壓差增大時(shí)，馬達(dá)的泄漏量增加，容積效率降低；當(dāng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，馬達(dá)泄漏量減小，容積效率升高。

5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)的端面泄漏為其主要泄漏途徑，也是限制其容積效率的主要因素，則針對(duì)馬達(dá)的端面泄漏，對(duì)其端面密封進(jìn)行了改進(jìn)。

圖4為雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)的密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，基本原理為在馬達(dá)轉(zhuǎn)子兩側(cè)加裝彈性側(cè)板或浮動(dòng)側(cè)板，使端面間隙減小，從而減小泄漏，提高容積效率，而且磨損后能夠自動(dòng)補(bǔ)償間隙，則該密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案是一種可行性很高的方案。

圖4 密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

6.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

用已加工的雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)樣機(jī)搭建容積效率試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)該馬達(dá)的容積效率進(jìn)行測(cè)試[30]。圖5為擺動(dòng)液壓馬達(dá)試驗(yàn)系統(tǒng)圖，因雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)屬于新型液壓馬達(dá)，故其職能符號(hào)根據(jù)文獻(xiàn)[31]中規(guī)定的新型多速馬達(dá)職能符號(hào)的規(guī)范畫法，如該圖中11（被測(cè)擺動(dòng)馬達(dá)）所示，其中被測(cè)擺動(dòng)馬達(dá)左側(cè)表示內(nèi)擺動(dòng)馬達(dá)，右側(cè)表示外擺動(dòng)馬達(dá)，擺動(dòng)馬達(dá)內(nèi)的每對(duì)三角表示一個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)的進(jìn)出油口，且用實(shí)線隔開。

在該試驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)比例調(diào)速閥5來(lái)改變馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，來(lái)控制擺動(dòng)馬達(dá)的行程時(shí)間，而馬達(dá)的實(shí)際輸入流量和輸出轉(zhuǎn)速是由流量計(jì)2（GF-5型，精度等級(jí)0.5%，德國(guó)Hydrotechnik產(chǎn)）和轉(zhuǎn)速傳感器12（JN338型，精度等級(jí)0.5%，北京三晶創(chuàng)業(yè)科技集團(tuán)有限公司產(chǎn)）分別測(cè)得，而液壓泵13作為系統(tǒng)的負(fù)載，通過(guò)調(diào)節(jié)比例溢流閥17來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載大小的調(diào)節(jié)。

6.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證理論分析的正確性和端面密封結(jié)構(gòu)的可行性，對(duì)端面密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)的容積效率進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)中擺動(dòng)馬達(dá)的端面密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案是在馬達(dá)轉(zhuǎn)子兩側(cè)加裝彈性側(cè)板，且側(cè)板內(nèi)側(cè)燒結(jié)有0.7 mm厚的磷青銅，來(lái)增加耐磨性。由理論分析可知，雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)在某些連接形式下工作時(shí)具有相同的容積效率變化趨勢(shì)。為簡(jiǎn)化試驗(yàn)，以擺動(dòng)液壓馬達(dá)在4種連接形式下（2個(gè)內(nèi)馬達(dá)單獨(dú)工作、2個(gè)外馬達(dá)單獨(dú)工作、2內(nèi)2外同時(shí)工作、2內(nèi)2外差動(dòng)工作）工作時(shí)為例對(duì)其改進(jìn)前后分別進(jìn)行容積效率試驗(yàn)。該試驗(yàn)系統(tǒng)中負(fù)載泵的理論排量為50 mL/r，補(bǔ)油泵的理論排量為15 mL/r，補(bǔ)油泵的出口壓力為0.9 MPa。圖6為雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)的主要零件和裝配樣機(jī)。

圖6 雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)主要零件和裝配樣機(jī)

6.3 試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)擺動(dòng)馬達(dá)的一個(gè)行程時(shí)間為3 s時(shí)，所測(cè)得改進(jìn)前和改進(jìn)后的馬達(dá)容積效率繪制成雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)容積效率曲線，分別如圖7a、7b所示。從圖中可以看出，隨著馬達(dá)進(jìn)出油口壓差的增大，馬達(dá)的容積效率逐漸降低。當(dāng)擺動(dòng)馬達(dá)進(jìn)出油口壓差一定時(shí)，外馬達(dá)單獨(dú)工作時(shí)容積效率最高；內(nèi)、外馬達(dá)差動(dòng)工作時(shí)容積效率最低。在進(jìn)出油口壓差為4 MPa，馬達(dá)容積效率在內(nèi)馬達(dá)單獨(dú)工作、外馬達(dá)單獨(dú)工作、內(nèi)外馬達(dá)差動(dòng)工作以及內(nèi)外馬達(dá)同時(shí)工作時(shí)最大值為分別為88.81%、92%、86%和90.32%。分析原因可能為：1）內(nèi)馬達(dá)的容積效率比外馬達(dá)的容積效率低；2）內(nèi)、外馬達(dá)差動(dòng)工作時(shí)內(nèi)馬達(dá)的泄漏量變大；3）內(nèi)、外馬達(dá)差動(dòng)工作時(shí)擺動(dòng)馬達(dá)角速度升高，導(dǎo)致擺動(dòng)馬達(dá)的理論流量降低。

由圖7a和圖7b比較可知，雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)端面密封的改進(jìn)可使雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)在進(jìn)出口壓差為10 MPa時(shí)的容積效率提高11%左右，則說(shuō)明這種端面密封結(jié)構(gòu)是一種可行性較高的方案。

由表4和圖7可知當(dāng)馬達(dá)進(jìn)出口壓差為10 MPa時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得的改進(jìn)前雙定子擺動(dòng)馬達(dá)在4種工作方式（2個(gè)內(nèi)馬達(dá)單獨(dú)工作、2個(gè)外馬達(dá)單獨(dú)工作、2內(nèi)2外同時(shí)工作、2內(nèi)2外差動(dòng)工作）下的容積效率分別約為67%、70%、69%、62%，與該馬達(dá)在4種工作方式下的容積效率理論值分別相差25%、26%、26%、27%，試驗(yàn)測(cè)得該馬達(dá)在4種工作方式下容積效率的最大值和最小值相差約為8%。試驗(yàn)結(jié)果和理論分析存在較高的誤差，分析原因主要有以下幾個(gè)方面：1）在泄漏分析時(shí)對(duì)擺動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載等因素考慮不足；2）沒有考慮到由于油液壓縮造成的流量損失；3）試驗(yàn)過(guò)程中某些運(yùn)動(dòng)部件出現(xiàn)磨損造成了更大的泄漏損失；4）試驗(yàn)樣機(jī)中零件的加工精度較低，造成配合精度較差；5）其他人為因素等方面。結(jié)合上述分析，為提高雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)的容積效率，可主要通過(guò)提高主要零部件的加工精度和裝配精度等方法，同時(shí)使馬達(dá)的容積效率實(shí)驗(yàn)誤差得到很大程度的降低。

圖7 改進(jìn)前后雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)容積效率曲線

7 結(jié) 論

1）通過(guò)對(duì)雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析，得到內(nèi)、外馬達(dá)幾何排量和理論流量的計(jì)算公式。

2）通過(guò)對(duì)雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)各處泄漏分析，得出馬達(dá)的主要泄漏途徑。通過(guò)建立各泄漏途徑的流量數(shù)學(xué)式，得到內(nèi)、外馬達(dá)泄漏量的計(jì)算式以及馬達(dá)在不同連接形式下工作時(shí)總泄漏量的一般公式。

3）隨著馬達(dá)進(jìn)出油口壓差的增大，馬達(dá)的容積效率隨之降低。當(dāng)馬達(dá)進(jìn)出油口壓差一定時(shí)，外馬達(dá)單獨(dú)工作時(shí)容積效率最高，內(nèi)、外馬達(dá)差動(dòng)工作時(shí)容積效率最低。當(dāng)馬達(dá)的行程時(shí)間為3 s，進(jìn)出口壓差為10 MPa時(shí)，馬達(dá)容積效率在不同連接形式下的最大值和最小值相差約為8%。且對(duì)該馬達(dá)端面密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)可使其在進(jìn)出口壓差為10 MPa時(shí)的容積效率提高11%左右。

[1] 王益群，張偉. 流體傳動(dòng)與控制技術(shù)的評(píng)述[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39(10)：95－99. Wang Yiqun, Zhang Wei. Summary of fluid power transmission and control technology[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2003, 39(10): 95－99. (in Chinese with English abstract)

[2] 李祖昌. 擺動(dòng)液壓馬達(dá)及其選用[J]. 液壓與氣動(dòng)，1999(2)：37. Li Zuchang. The select and use of rotary actuator[J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 1992(2): 37. (in Chinese with English abstract)

[3] 徐海洲. 一種間隙密封葉片式擺動(dòng)液壓馬達(dá)的泄漏控制[J]. 機(jī)床與液壓，1998(1)：55－56. Xu Haizhou. Leakage control of a gap seal vane type rotary hydraulic actuator[J]. Machine Tool & Hydraulics, 1998(1): 55－56. (in Chinese with English abstract)

[4] Wen Desheng. Theoretical analysis of output speed of multi-pump and multi-motor driving system[J]. Science China: Technological Sciences, 2011, 54(4): 992－997.

[5] 聞德生，常雪，張少波，等. 雙定子單作用液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(2)：238－242. Wen Desheng, Chang Xue, Zhang Shaobo, et al. Analysis of the torque pulsation for double-stator single-acting multi-motors[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(2): 238－242. (in Chinese with English abstract)

[6] S·貝茨，K·賴歇爾，T·鮑斯蒂安，等. 徑向擺動(dòng)馬達(dá)的密封裝置：200580006622.4[P]. 2005-03-01.

[7] Nikas G K, Burridge G, Sayles R S. Modelling and optimization of rotary vane seals[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2007(6): 699－715.

[8] 王增，焦宗夏，汪成文，等. 葉片式液壓擺動(dòng)馬達(dá)的非線性泄漏分析[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，40(4)： 486－493. Wang Zeng, Jiao Zongxia, Wang Chengwen, et al. Nonlinear leakage model of rotary vane actuator[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2014, 40(4): 486－493. (in Chinese with English abstract)

[9] 金忠，張將. 擺動(dòng)液壓缸組合密封的建模與計(jì)算[J]. 液壓與氣動(dòng)，2007(10)：18－21. Jin Zhong, Zhang Jiang. Modeling and calculating of composite seals for rotary vane actuator[J]. Chinese Hydraulics & Poneumatics, 2007(10): 18－21. (in Chinese with English abstract)

[10] 周海強(qiáng)，陳道良. 擺動(dòng)液壓缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]. 液壓氣動(dòng)與密封，2007(6)：32－33. Zhou Hailiang, Chen Daoliang. Improvement design of internal configuration of swing hydraulic cylinder[J]. Hydraulics Pneumatics & Seals, 2007(6): 32－33. (in Chinese with English abstract)

[11] 崔曉. 仿真轉(zhuǎn)臺(tái)用中空式電液伺服馬達(dá)摩擦及泄漏特性的研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010. Cui Xiao. Research on the Friction and Leakage Properties of Hollow Axis Hydraulic Servo Motor Applied on Flight Motion Simulator[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2010. (in Chinese with English abstract)

[12] 崔曉，董彥良，趙克定. 基于ADINA的組合式動(dòng)密封泄漏量與摩擦力計(jì)算術(shù)[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，38(2)：95－100. Cui Xiao, Dong Yanliang, Zhao Keding. Calculation of leakage and friction of combined dynamic seals based on ADINA[J]. Journal of South China University of Technology: Natural Science Edition, 2010, 38(2): 95－100. (in Chinese with English abstract)

[13] 聞德生，呂世君，劉曉晨，等. 等寬雙定子泵和馬達(dá)的原理研究[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，40(11)：1840－1844. Wen Desheng, Lv Shijun, Liu Xiaochen, et al. Theoretic research on variable displacement of equal-width double- stators pump and motor[J]. Joumal of Harbin Institute of Technology, 2008, 40(11): 1840－1844. (in Chinese with English abstract)

[14] 聞德生. 液壓元件的創(chuàng)新與發(fā)展[M]. 北京：航天工業(yè)出版社，2009：375－383.

[15] 聞德生，徐添，杜孝杰，等. 多泵多馬達(dá)容積調(diào)速回路的理論分析[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，45(9)：1294－1298.Wen Desheng, Xu Tian, Du Xiaojie, et al. Theoretical analysis of volume speed-regulating circuit of multi-pump and multi-motor[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2011, 45(9): 1294－1298. (in Chinese with English abstract)

[16] 聞德生，劉巧燕，劉忠迅，等. 混合型多泵多速馬達(dá)傳動(dòng)輸出特性的研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，48(12)：15－20. Wen Desheng, Liu Qiaoyan, Liu Zhongxun, et al. Output characteristics of mix type multi-pump and multi-motor driving system[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2014, 48(12): 15－20. (in Chinese with English abstract)

[17] Wen Desheng, Wang Zhili, Lv Shijun, et al. Single-acting double-stator multi-pumps and multi-motors[J]. Journal of Chongqing University: English Edition, 2010, 9(4): 208－215.

[18] 聞德生，劉忠迅，劉巧燕，等. 平衡式雙定子泵流量脈動(dòng)理論分析[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，48(8)：1155－1158. Wen Desheng, Liu Zhongxun, Liu Qiaoyan, et al. Theortical analysis of flow pulsation of balanced double-Stator multi-pump[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2014, 48(8): 1155－1158. (in Chinese with English abstract)

[19] 聞德生，王京，柴偉超，等. 單泵多馬達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩特性分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(12)：88－95. Wen Desheng, Wang Jing, Chai Weichao, et al. Analysis and experiment of output torque characteristics of single-pump multi-motor transmission system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(12): 88－95. (in Chinese with English abstract)

[20] 聞德生，楊杰，鄭珍泉，等. 雙定子對(duì)稱型多泵多速馬達(dá)理論特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45(7)：321－324. Wen Desheng, Yang Jie, Zheng Zhenquan, et al. Theory analyses of double stator symmetrical type multi-pump and multi-speed motor[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(7): 321－324. (in Chinese with English abstract)

[21] 聞德生，柴偉超，王京，等. 采用雙定子泵的多級(jí)恒功率調(diào)速系統(tǒng)回路特性分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(22)：107－112. Wen Desheng, Chai Weichao, Wang Jing, et al. Analysis and test on circuit characteristic of multi-stage constant power governing system using double-stator pump[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(22): 107－112. (in Chinese with English abstract)

[22] 聞德生，胡文龍，邱華，等. 多泵單馬達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(1)：397－402. Wen Desheng, Hu Wenlong, Qiu Hua, et al. Output torque characteristics analysis of multi-pump and single-motor transmission system[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(1): 397－402. (in Chinese with English abstract)

[23] 聞德生，呂世君，杜孝杰，等. 雙定子液壓馬達(dá)差動(dòng)連接理論分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(9)：219－224. Wen Desheng, Lv Shijun, Du Xiaojie, et al. Theoretical analysis of differential connection of double-stator hydraulic motor[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(9): 219－224. (in Chinese with English abstract)

[24] 聞德生，張少波，王遠(yuǎn)，等. 雙作用滑塊型雙定子馬達(dá)內(nèi)漏特征與優(yōu)化[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，31(3)：242－247. Wen Desheng, Zhang Shaobo, Wang Yuan, et al. Characteristics of internal leakage in double-acting double-stator slider motors and optimization[J]. Journal of Diainage and Irrigation Machinery Engineering, 2013, 31(3): 242－247. (in Chinese with English abstract)

[25] 李壯云. 液壓元件與系統(tǒng)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：7－15.

[26] 張海竹，盧勇，張薇，等. 高壓葉片泵流體泄漏研究[J]. 流體機(jī)械，2009，37(3)：1－5. Zhang Haizhu, Lu Yong, Zhang Wei, et al. Analysis on the flow leakage in high pressure vane pump[J]. Fluid Machinery, 2009, 37(3): 1－5. (in Chinese with English abstract)

[27] 李樹立，焦宗夏. 葉片式擺動(dòng)液壓馬達(dá)泄漏計(jì)算與控制[J]. 液壓與氣動(dòng)，2005 (11)：67－68. Li Shuli. Jiao Zongxia. Leakage calculation and control of vane hydraulic swing motor[J]. Chinese Hydraulics & Poneumatics, 2005(11): 67－68. (in Chinese with English abstract)

[28] 高殿榮，吳曉明. 工程流體力學(xué)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999：115－122.

[29] 王積偉，章宏甲，黃誼. 液壓與氣壓傳動(dòng)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：108－135.

[30] 姜萬(wàn)錄，楊超，牛慧峰. 液壓泵、馬達(dá)試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)概況[J]. 機(jī)床與液壓，2005 (8)：1－3. Jiang Wanlu, Yang Chao, Niu Huifeng. The technique in hydraulic pump and motor test-bed measure system[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2005(8): 1－3. (in Chinese with English abstract)

[31] 劉一山，聞德生，杜孝杰. 多泵多速馬達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介[J]. 液壓氣動(dòng)與密封，2012(2)：73－76. Liu Yishan, Wen Desheng, Du Xiaojie. Introduction of multi-pumps and multi-motors hydraulic transmission system[J]. Hydraulics Pneumatics & Seals, 2012(2): 73－76. (in Chinese with English abstract)

Analysis of leakage and volumetric efficiency and seal improvement for double-stator swing hydraulic motor

Wen Desheng, Shang Xudong, Gu Pan, Pan Weiyuan, Shi Zizhou, Zheng Wei

(066004)

In view of the problem that the existing swing hydraulic motor can only output one torque and one rotation speed, a new type of double-stator swing hydraulic motor is put forward, which combines the structure of vane swing hydraulic motor and the thought of double-stator. This motor consists of a rotor, an inner-stator and an outer-stator to form 2 groups of motors in one case. This motor can achieve a variety of connections, such as inner motors working alone, outer motors working alone, inner and outer motors working together, and inner and outer motors working differentially, so this motor can realize multistage speed and multistage torque output through changing its connections. In order to accurately analyze the leakage and volumetric efficiency of the double-stator swing hydraulic motor, and to obtain some reasonable gap seal size and seal structure improvement proposals. Through the analysis of the internal structure of double-stator swing hydraulic motor, the geometric displacement calculation formulas of inner and outer motors are summed up and the main internal leakage paths are analyzed; the main internal leakage paths consist of end face clearance and radial clearance leakage. A general formula of the total leakage is obtained through establishing the flow’s mathematical expression of every leakage path. The total leakage of this motor is not only related to its internal structure, but also related to the speed and pressure. The volumetric efficiency of this swing hydraulic motor in different connections is calculated theoretically. Every leakage of inner and outer motors is calculated theoretically, and the end face clearance leakage of motors is relatively bigger than the radial clearance leakage. The end face clearance leakage of outer motor accounts for 94% of the total leakage of outer motor, and the end face clearance leakage of inner motor accounts for 73% of the total leakage of inner motor. The maximum and average leakages of the double-stator swing hydraulic motor are calculated theoretically. When the travel time of this motor is 3 s, and the pressure of the ports is 10 MPa, the maximum theoretical volumetric efficiency of this motor is 96.58%, and the minimum theoretical volumetric efficiency is 66.83%. In view of the end face clearance leakage, a seal structure optimization program is put forward. It can improve the volumetric efficiency of this motor through adding the floating side panels at the both sides of this motor. The improved and unimproved prototypes of double-stator swing hydraulic motors are tested in the experimental platform, and the volumetric efficiency of the motor prototype in 4 different connections is tested. It turns out that with the increasing of differential pressure of the motor ports, the volumetric efficiency decreases, and the volumetric efficiency of this swing hydraulic motor in different connections is different; when the differential pressure of the ports is fixed, the volumetric efficiency of this motor in outer motor working alone is the highest, and the volumetric efficiency of this motor when inner and outer motors working in differential connection is the lowest. When the travel time of this motor is 3 s, and the pressure of the ports is 4 MPa, the volumetric efficiency of this motor in inner motor working alone is 88.81%, the volumetric efficiency of this motor in outer motor working alone is 92%, the volumetric efficiency of this motor in inner and outer motors working differentially is 86%, and the volumetric efficiency of this motor in inner and outer motors working together is 90.32%. The reason why the volumetric efficiency of this swing hydraulic motor is lower in differential working is that its leakage increases and the theoretical flow decreases in differential working. Because the processing accuracy of the experiment prototype is lower, there is a certain deviation between the experimental results and theoretical analysis, but they are basically the same. The improvement of the motor end seal can increase its volumetric efficiency by about 11%. This result can provide reference for the design and application of double-stator swing hydraulic motor.

hydraulic motors; stators; rotors; leakage; geometric displacement; volumetric efficiency

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.010

TH137.15

A

1002-6819(2017)-12-0074-08

2016-10-31

2017-06-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50975246）

聞德生，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事液壓元件與液壓傳動(dòng)研究。秦皇島燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，066004。Email：wendesheng@ysu.edu.cn

聞德生，商旭東，顧 攀，潘為圓，石滋洲，鄭 偉.雙定子擺動(dòng)液壓馬達(dá)泄漏與容積效率分析及密封改進(jìn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(12)：74－81. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.010 http://www.tcsae.org

Wen Desheng, Shang Xudong, Gu Pan, Pan Weiyuan, Shi Zizhou, Zheng Wei.Analysis of leakage and volumetric efficiency and seal improvement for double-stator swing hydraulic motor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 74－81. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.010 http://www.tcsae.org